钨钛合金中钛对嬗变元素析出及缺陷行为影响的第一性原理计算

摘要

钨-钛(W-Ti)合金作为候选的聚变装置第一壁面向等离子体钨基材料(PFMs)之一，具有优良的后续强度、断裂韧性及脆性-韧性(DBTT)转变温度。然而在高能聚变中子辐照下，钨将发生嬗变反应，产生锇(Os)、铼(Re)、钽(Ta)和铪(Hf)等一系列嬗变元素(TEs)以及大量缺陷，进而出现辐射诱导的析出沉淀相和大量的缺陷团簇，严重影响材料服役性能。因此，研究W-Ti合金中Ti与嬗变元素及辐照缺陷间的相互作用具有非常重要的意义。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了W-Ti合金中点缺陷的稳定性、Ti对嬗变元素及空位团簇行为影响，以及间隙缺陷对嬗变元素捕获作用。　　本文首先研究了Ti在W晶格中的占位稳定性以及TEs在W中的聚集特性。计算结果表明，Ti可以稳定地与Os/Re共存，但却使Ta/Hf原子间作用变得更为排斥。此外，Ti浓度是影响nTi-mTE团簇成核的重要因素。在W晶格中掺入低浓度Ti可诱导Os原子聚集行为以及增强Ta/Hf原子排斥作用，同时使W中Re原子呈现从分散到聚集的变化趋势。然而当Ti原子数量逐渐增加时，Re及Os成核过程将受到阻碍。研究结果表明，Ti元素浓度是W-Ti合金辐射诱导沉淀的关键调节因素，通过加入适量Ti原子，可以抑制Re和Os的团簇行为，提高W材料耐辐照性能。　　其次，本文系统计算了Ti对空位(Vac)团簇的分布以及迁移行为的影响。计算结果表明，W-Ti合金中单空位以次近邻(2NN)位置分布的结构稳定性最差，以3NN位分布则结构最为稳定。当体系中不存在空位缺陷时，在同一个单胞内，Ti更倾向于分布在(110)面。反之，Ti与Vac更易分布在相互垂直的(100)面。另一方面，体系中空位浓度较低(n≤1)时，Os会吸引周围Ti，使其有聚集在Os周围的趋势；随着Vac的增加(n＞1)，这种吸引作用将会转变为排斥作用，而Re则始终表现为排斥作用。在此基础上，分析Ti对Re/Os-nVac团簇行为影响，低空位浓度时(n≤4)Ti的加入对Re/Os-nVac团簇聚集起到抑制作用，当空位较多时(n＞4)，Ti则会促进Re/Os-nVac的聚集，可见Ti浓度在调控Re/Os-nVac团簇聚集中起到主导作用。此外，Ti对空位迁移也可产生相应影响，在无嬗变元素Re/Os产生时，W-Ti合金中空位沿<111>方向迁移至Ti位时迁移阈能相比纯W中空位的迁移阈能更低，表明Ti存在对空位迁移起到诱导作用。随着嬗变变元素Re/Os产生，Re/Os反而抑制空位沿<111>方向向Ti位迁移，反之Ti也会抑制空位沿<111>方向向Re/Os位迁移。　　最后，本文讨论分析了Ti-Re/Os间隙结构稳定性及其与嬗变元素Re/Os之间相互作用。结果表明，W-Ti、Ti-Os和Ti-Re间隙存在更为稳定的<11h>结构。在从<111>至<110>方向旋转过程中，纯W自间隙存在比W-Ti间隙更高的旋转阈能。而相比于Ti-Re间隙，Ti-Os间隙在旋转过程中存在更低的旋转阈能，说明材料中Ti-Re间隙旋转更为容易。除此之外，结果还表明Ti-Re及Ti-Os稳定<11h>哑铃对分别对Re、Os原子有捕获作用，且Ti-Os间隙捕获Os能力要强于Ti-Re捕获Re原子能力，捕获能力约为十个嬗变原子，且随着捕获原子增大捕获能力逐渐下降。在考察W-Ti间隙演化过程中发现，W-Ti稳定<11h>哑铃对容易沿着W-Ti间隙方向捕获Re/Os原子，在距Ti最近的1NN位捕获Re/Os最为容易，进而形成稳定复合结构。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 面向等离子体材料

1.3 钨的辐照损伤

1.3.1 辐照缺陷

1.3.2 核嬗变效应

1.4 合金化

1.4.1 合金化对W材料力学性能影响

1.4.2 合金原子对W中氢氦行为的影响

1.4.3 合金原子对辐照缺陷的影响

1.5 本研究工作的主要内容及意义

第二章 基本理论方法

2.1 密度泛函理论

2.1.1 Hohenberg-Kohn定理

2.1.2 Kohn-Sham方程

2.1.3 交换关联函数近似

2.1.4 赝势

2.2 第一性原理计算（First-principles calculation）

2.2.1 绝热近似（Born-Oppenheimer）

2.2.2 单电子近似（Hartree-Fork近似）

2.3 VASP介绍

第三章 Ti对嬗变元素析出行为影响

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 Ti/空位与其团簇间相互作用

3.4 Ti对嬗变元素聚集行为的影响

3.5 Ti浓度对Os/Re聚集行为的影响

3.6 本章小结

第四章 Ti对W中空位团簇行为影响

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 W-Ti合金中空位稳定性

4.4 Ti对空位团簇行为影响

4.5 W-Ti合金中空位迁移行为

4.6 本章小结

第五章 Ti-TE间隙稳定性及其与Re/Os相互作用

5.1 引言

5.2 计算方法

5.3 Ti-Re/Os混合哑铃对稳定性

5.4 W-Ti哑铃对与Re/Os间相互作用

5.5 本章小结

结论及展望

1. 结论

2. 后续展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果